軌道交通供電系統(tǒng)混合變電站的仿真研究

周培培，錢(qián)雪軍

（同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系，上海 200331）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵逐漸成為許多人選擇的出行方式。巨大的客流量對(duì)供電系統(tǒng)變電站的穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求，也對(duì)供電系統(tǒng)工作人員的工作能力要求更加嚴(yán)格。近年來(lái)，因變電站檢修工操作失誤導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生，這讓我們意識(shí)到傳統(tǒng)培訓(xùn)方式存在很多不足，因此為變電站檢修工提供一個(gè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)具有深刻的意義。

目前，在國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了不少成果[1-4]。文獻(xiàn)[3]利用虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)VRP 搭建的虛擬變電所培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備模型的實(shí)時(shí)操作和控制；文獻(xiàn)[4]搭建了電氣化鐵路牽引變電站虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，提供更換三維設(shè)備以及修改培訓(xùn)任務(wù)的功能，提高了虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的靈活性。類(lèi)似的培訓(xùn)系統(tǒng)研究多以電氣化鐵路牽引變電站為研究對(duì)象，地鐵供電系統(tǒng)變電站雖與之相似卻不盡相同，并不能直接使用。以地鐵供電系統(tǒng)變電站為研究對(duì)象的研究，如文獻(xiàn)[5]，利用Matlab 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真建模，不適用于變電站檢修工的培訓(xùn)。

為提高地鐵變電站檢修工的培訓(xùn)質(zhì)量，并考慮到培訓(xùn)的通用性, 本文選取較為復(fù)雜的混合變電站作為研究對(duì)象。通過(guò)三維物理建模還原混合變電站設(shè)備及其操作，并建立供電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)搭建軌道交通供電系統(tǒng)混合變電站的仿真系統(tǒng)。

1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的仿真對(duì)象為混合變電站，由降壓變電站與牽引變電站共同組成。系統(tǒng)框架如圖1 所示，總體可以分為混合變電站模型、負(fù)載輸入以及控制輸入3 個(gè)部分。

1.1 混合變電站模型

混合變電站模型主要用來(lái)顯示混合變電站的整體效果。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電氣設(shè)備模型上儀表顯示的電氣量要跟隨改變；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，電氣設(shè)備模型上指示燈要有正確提醒；對(duì)模型進(jìn)行操作時(shí)，模型要有相應(yīng)的動(dòng)作；操作人員可以在混合變電站模型中漫游瀏覽，查看各電氣設(shè)備的外觀(guān)與狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，需要對(duì)混合變電站進(jìn)行物理建模與數(shù)學(xué)建模。物理建模使用3D Max 軟件完成，將電氣設(shè)備模型以.fbx 格式輸出后導(dǎo)入到Unity3D中拼裝成完整的混合變電站。數(shù)學(xué)模型可以分為對(duì)牽引網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)建模與對(duì)降壓網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)建模，通過(guò)潮流計(jì)算得到的電氣量在各開(kāi)關(guān)柜設(shè)備模型上顯示。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 負(fù)載輸入

負(fù)載輸入部分主要為混合變電站模型提供當(dāng)前時(shí)刻的負(fù)載信息。在混合變電站中，牽引部分為列車(chē)運(yùn)行提供1 500 V 直流電，降壓部分為車(chē)站負(fù)載的正常使用提供400 V 交流電。因此，負(fù)載輸入可以分為2 個(gè)部分：列車(chē)負(fù)載輸入，車(chē)站負(fù)載輸入。

1.3 控制輸入

控制輸入部分主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)混合變電站模型的控制?？刂品绞脚c真實(shí)混合變電站的控制方式相同，有遠(yuǎn)控、站控、近控3 種方式。

1.3.1 遠(yuǎn)控輸入

通過(guò)控制中心的調(diào)度系統(tǒng)來(lái)對(duì)混合變電站設(shè)備的合閘分閘等進(jìn)行操作的控制方式稱(chēng)為遠(yuǎn)控。在遠(yuǎn)控時(shí)，不能對(duì)設(shè)備進(jìn)行站控與近控，要保證同一時(shí)刻對(duì)同一對(duì)象的操作指令只有一個(gè)。

遠(yuǎn)控指令發(fā)出后，混合變電站模型中相應(yīng)的設(shè)備模型狀態(tài)要發(fā)生改變；同時(shí)，混合變電站模擬故障或因其他控制方式發(fā)生狀態(tài)的改變時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)顯示界面上也要出現(xiàn)相應(yīng)信息。

1.3.2 站控輸入

站控是指通過(guò)變電站站內(nèi)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)混合變電站模型進(jìn)行操作的控制方式。站控的本質(zhì)與遠(yuǎn)控相同，不同的是使用遠(yuǎn)控方式來(lái)控制混合變電站模型所需要的登錄權(quán)限更高。

1.3.3 近控輸入

近控是指直接操作混合變電站模型中的各種電氣設(shè)備模型。操作人員利用方向鍵走近設(shè)備后，可以通過(guò)鼠標(biāo)操作各開(kāi)關(guān)柜上的面板；可以操作直流柜中抽出式小車(chē)；能夠完成倒閘等操作。

2 混合變電站仿真系統(tǒng)模型建立

混合變電站仿真系統(tǒng)主要由變電站內(nèi)電氣設(shè)備的三維模型以及牽引網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型組成。三維模型的建立給操作者真實(shí)感，在經(jīng)過(guò)培訓(xùn)之后再操作實(shí)物能更快掌握，數(shù)學(xué)模型的建立能讓三維模型更合理地模擬真實(shí)設(shè)備。

2.1 混合變電站電氣設(shè)備物理建模

如圖2 ～5 所示，在混合變電站中，需要建模的電氣設(shè)備[7-8]主要有以下幾個(gè)部分：

（1）交流高壓開(kāi)關(guān)柜：在變電站中，它需要引入從主變壓器傳輸過(guò)來(lái)的35 kV 交流電，然后饋出給整流變壓器和電力變壓器。

（2）整流機(jī)組：整流機(jī)組包括了整流變壓器和整流器組，它們的作用是將35 kV 交流電變?yōu)? 450 V的直流電。

圖2 35 kV開(kāi)關(guān)柜

圖3 整流變壓器

（3）直流開(kāi)關(guān)柜：將從整流機(jī)組引入的直流電饋出給接觸網(wǎng)，供列車(chē)運(yùn)行。在直流開(kāi)關(guān)柜中，手推式小車(chē)是其重要組成部分，且是變電站檢修工需要了解操作的一部分，因此在對(duì)直流開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行建模時(shí)，對(duì)小車(chē)進(jìn)行細(xì)節(jié)建模。

（4）低壓交流開(kāi)關(guān)柜組：35 kV 交流電經(jīng)電力變壓器降為400 V 交流電，再通過(guò)400 V 饋線(xiàn)柜為地鐵站中各級(jí)負(fù)荷提供電力。

圖4 直流開(kāi)關(guān)柜

圖5 低壓交流開(kāi)關(guān)柜

2.2 混合變電站數(shù)學(xué)模型

混合變電站各開(kāi)關(guān)柜上都有電表來(lái)顯示當(dāng)前的電壓電流值，通過(guò)指示燈來(lái)反應(yīng)當(dāng)前合閘分閘等狀態(tài)。為在3D 模型以及遠(yuǎn)程控制終端上根據(jù)不同的負(fù)載來(lái)正確顯示電氣量，建立地鐵電力供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)潮流計(jì)算后將各數(shù)據(jù)量發(fā)送到各物理模型，進(jìn)行狀態(tài)更新。

2.2.1 牽引網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型

牽引網(wǎng)絡(luò)主要由24 脈波整流機(jī)組、牽引網(wǎng)以及列車(chē)組成。其中，牽引網(wǎng)又包括饋電線(xiàn)、接觸網(wǎng)、走行軌與回流線(xiàn)。牽引網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)整流機(jī)組經(jīng)饋電線(xiàn)將1 500 V 直流電送至接觸網(wǎng)，向列車(chē)供電，電流再?gòu)淖咝熊壗?jīng)回流線(xiàn)送回至牽引變電站。牽引網(wǎng)絡(luò)等效模型如圖6 所示。

圖6 牽引回路等效電路

在仿真計(jì)算時(shí)，一般按戴維南或諾頓等效電路對(duì)整流機(jī)組進(jìn)行建模。24 脈波整流機(jī)組可以等效為2 個(gè)12 脈波整流機(jī)組的并聯(lián)。對(duì)于12 脈波整流機(jī)組來(lái)說(shuō)，隨著負(fù)載的變化，它會(huì)工作在6 個(gè)不同的工作區(qū)間[9]。所以需要通過(guò)牽引變電站輸出的電流來(lái)調(diào)整整流機(jī)組的工作區(qū)間，計(jì)算得到等效電路相應(yīng)的電壓Vs 和電阻Req。

將接觸網(wǎng)和走行軌根據(jù)變電站和列車(chē)的位置分段，逐段進(jìn)行建模。由于走行軌對(duì)地不能做到完全的絕緣，所以大部分電流能夠通過(guò)走行軌及回流線(xiàn)回到變電站，小部分電流會(huì)流入到地中。這樣在走行軌和大地之間就產(chǎn)生了雜散電流，使得鋼軌對(duì)地產(chǎn)生了電位。走行軌等值電阻計(jì)算方法如式（1）。

其中，r為走行軌π型電路電阻（Ω），Y為走行軌對(duì)地縱向電阻（Ω），L為走行軌的長(zhǎng)度（km），RT為走行軌單位電阻（Ω/km），Rg為走行軌對(duì)大地的泄露電阻（Ω/km）。

軌道交通在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，列車(chē)的位置、速度、數(shù)目都是隨著時(shí)間變化的。在牽引網(wǎng)電壓正常波動(dòng)范圍內(nèi)，列車(chē)所獲取的功率與網(wǎng)壓沒(méi)有關(guān)系，因此可以將列車(chē)等效為恒功率源。

2.2.2 牽引網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算程序

根據(jù)地鐵牽引網(wǎng)絡(luò)等效模型，可以通過(guò)聯(lián)立節(jié)點(diǎn)電壓方程組得到各節(jié)點(diǎn)電壓和整流機(jī)組工作電流。由于列車(chē)等效為恒功率源，使得聯(lián)立的方程組成非線(xiàn)性，所以需要通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓法進(jìn)行迭代求解。具體的計(jì)算流程如圖7 所示。

圖7 牽引網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算流程圖

2.2.3 降壓網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型

降壓網(wǎng)絡(luò)主要由電力變壓器將35 kV 交流電降為400 V 交流電，再饋出給各級(jí)負(fù)載。等值電路圖如圖8 所示，2 臺(tái)變壓器各承擔(dān)一半的車(chē)站負(fù)載，當(dāng)一臺(tái)變壓器退出運(yùn)行時(shí)，切除三級(jí)負(fù)載，由一臺(tái)變壓器承擔(dān)所有的一、二級(jí)負(fù)載的供電。

圖8 低壓供電網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算等值電路圖

已知首端電壓和末端功率，求解末端電壓的潮流計(jì)算方法如式（2）、式（3）。

S' 為線(xiàn)路首端節(jié)點(diǎn)的功率，S" 為線(xiàn)路末端節(jié)點(diǎn)的功率，ΔS為線(xiàn)路中的功率耗損，P" 為線(xiàn)路末端節(jié)點(diǎn)的有功功率，Q" 為線(xiàn)路首端節(jié)點(diǎn)的無(wú)功功率，VN為額定電壓，R為線(xiàn)路的等效電阻，X為線(xiàn)路等值電抗。

VB為線(xiàn)路末端電壓，VA為線(xiàn)路首端電壓，ΔVAB為線(xiàn)路電壓損耗，δVAB為線(xiàn)路電壓偏移，P' 為線(xiàn)路首端節(jié)點(diǎn)的有功功率，Q' 為線(xiàn)路首端節(jié)點(diǎn)的無(wú)功功率。

3 混合變電站仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在Unity3D 中導(dǎo)入建好的設(shè)備模型，根據(jù)真實(shí)混合變電站的環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備的三維模型進(jìn)行組裝。使用C# 編程語(yǔ)言對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作以及負(fù)載的讀入，進(jìn)行潮流計(jì)算更新設(shè)備模型狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控、站控及近控。

3.1 混合變電站漫游實(shí)現(xiàn)

為了能夠使得操作人員以第一人稱(chēng)視角來(lái)觀(guān)察變電站的設(shè)備，在Unity3D 中導(dǎo)入Characters 包，使用其中的FPSController 預(yù)置件。在這個(gè)預(yù)置件上，添加著一個(gè)Camera 組件，可以形成第一人稱(chēng)視角，并且它添加的FirstPersonController 組件封裝了利用方向鍵行走、鼠標(biāo)左鍵控制行走方向的功能。

從大多數(shù)人使用鼠標(biāo)的習(xí)慣上來(lái)說(shuō)， 需要利用鼠標(biāo)左鍵來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作， 這就與FirstPersonController 組件上封裝的鼠標(biāo)左鍵控制方向沖突。 所以為FPSController 物體添加組件MouseController，實(shí)現(xiàn)在每一幀監(jiān)聽(tīng)鍵盤(pán)上Space 按鍵是否按下，來(lái)達(dá)到切換是否禁用FPSController 物體上FirstPersonController 組件的狀態(tài)，這樣就能夠保證在對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，鼠標(biāo)左鍵不會(huì)帶動(dòng)鏡頭旋轉(zhuǎn)。

3.2 負(fù)載輸入實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，列車(chē)負(fù)載信息根據(jù)列車(chē)的運(yùn)行時(shí)刻表來(lái)自動(dòng)生成。根據(jù)列車(chē)運(yùn)行時(shí)刻表，當(dāng)有列車(chē)進(jìn)入該牽引變電站的供電區(qū)段時(shí)，將按照列車(chē)出站啟動(dòng)加速( 牽引)、中途惰行、制動(dòng)停車(chē)( 再生) 的運(yùn)行模式模擬列車(chē)的功率，并輸入到牽引變電站。

車(chē)站負(fù)載信息則通過(guò)xml 文檔記錄， 一個(gè)Situation 節(jié)點(diǎn)保存了時(shí)間，在運(yùn)行的設(shè)備的id、名字、有功與無(wú)功的信息。通過(guò)Unity3D 讀取并解析文檔，將數(shù)據(jù)更新至Dictionary＜int，EquipmentInfo＞中。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)獲取當(dāng)前時(shí)間來(lái)進(jìn)行相近時(shí)刻下的潮流計(jì)算。

在之后的研究中，將實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)與行車(chē)以及車(chē)站內(nèi)用電設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將車(chē)輛的信息以及車(chē)站負(fù)載的狀態(tài)變化發(fā)送給本系統(tǒng)。

3.3 遠(yuǎn)控功能實(shí)現(xiàn)

確保設(shè)備上的控制方式開(kāi)關(guān)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)上的控制方式均置為遙控。此時(shí)調(diào)度中心供電網(wǎng)絡(luò)圖上顯示與混合變電站仿真系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)一致，均為正常運(yùn) 行狀態(tài)。供電網(wǎng)絡(luò)圖如圖9 所示，其中，紅色為閉合狀態(tài)，綠色為斷開(kāi)狀態(tài)。

如圖10 所示，通過(guò)遠(yuǎn)控?cái)嚅_(kāi)121 號(hào)斷路器，就能夠?qū)⒒旌献冸娬局?5 kV 交流高壓開(kāi)關(guān)柜中饋電給一號(hào)整流變壓器（簡(jiǎn)稱(chēng)：35 kV 整流變壓器開(kāi)關(guān)柜）中的斷路器進(jìn)行分閘。

圖9 供電網(wǎng)絡(luò)圖

圖10 1號(hào)整流變壓器退出運(yùn)行

3.4 混合變電站內(nèi)設(shè)備顯示

通過(guò)3.3 節(jié)介紹的遠(yuǎn)控操作完成斷開(kāi)35 kV 整流變壓器開(kāi)關(guān)柜的斷路器后，仿真系統(tǒng)中的1 號(hào)整流機(jī)組退出運(yùn)行，2 號(hào)整流機(jī)組在過(guò)負(fù)荷允許的情況下，繼續(xù)維持運(yùn)行。在相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)柜模型的顯示屏上，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)狀態(tài)的更新，如2 號(hào)整流變壓器開(kāi)關(guān)柜流出的電流為58.9 A，如圖11 所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用3DMax 及Unity3D 軟件搭建了混合變電站仿真系統(tǒng)，通過(guò)讀入車(chē)站與車(chē)輛負(fù)載數(shù)據(jù)，經(jīng)供電網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算后，由電氣設(shè)備三維模型輸出顯示，與電力調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)遠(yuǎn)控、站控及近控3 種控制方式。

本系統(tǒng)可以作為變電站檢修工的培訓(xùn)系統(tǒng)，通過(guò)在變電站中漫游及對(duì)設(shè)備模型的操作，對(duì)變電站設(shè)備有一個(gè)直觀(guān)的認(rèn)識(shí)；本系統(tǒng)也可以作為電力調(diào)度人員的培訓(xùn)系統(tǒng)。在后續(xù)的研究中，將在本系統(tǒng)中增加更多的故障模擬，以貼合培訓(xùn)人員的培訓(xùn)需求。